某在建地铁车站动力特征响应分析

朱 长 城

(1.中铁文化旅游投资集团有限公司，贵州 贵阳 550002; 2.中铁四川生态城投资有限公司，四川 仁寿 620561)



某在建地铁车站动力特征响应分析

朱 长 城1,2

(1.中铁文化旅游投资集团有限公司，贵州 贵阳 550002; 2.中铁四川生态城投资有限公司，四川 仁寿 620561)

按照建筑结构荷载规范，选取了昆明某在建地铁的最不利荷载工况，基于ANSYS有限元软件，对该地铁车站进行了地震作用下的动力时程分析，结果表明：该地铁车站整体位移很小且振动非常稳定，在该地区能够实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”抗震设防原则。

地铁车站,地震作用,动力时程分析,结构特征响应

0 引言

1995年的日本阪神大地震造成神户市大量的钢筋混凝土地下结构不同程度的破坏[1]，特别是地铁车站等结构曾出现严重的震害以及次生灾害[2,3]。地铁车站的破坏主要集中在混凝土中柱及侧墙的上下端部，表现为中柱灯笼状屈曲的压缩破坏和剪切破坏及侧墙角部的开裂，最终造成顶板折断，结构倒塌[4]。随着我国城市地铁建设的发展，地铁地下车站体积愈来愈大，结构愈来愈复杂，这些大型复杂地铁车站结构的抗震可靠性成为防灾减灾研究的热点及难点课题[5]。而目前为止，国内还缺乏完善的地铁车站结构抗震设计计算方法，更无针对地铁车站的设计规范。现阶段，设计人员多参照《建筑抗震设计规范》[6]和《铁路工程抗震设计规范》[7]中的“地下建筑”部分对地下车站进行抗震设计。因此，本文基于土层—结构时程分析对于在建的昆明某地下车站进行抗震性能分析显得十分必要。其不但可以指导本地铁车站的设计与施工，还可以为其他类似的地铁车站设计提供参考，具有重要的理论与现实意义。

本文基于ANSYS有限元软件建立昆明某地铁车站有限元模型(考虑不同荷载效应组合)，分别输入El-Centro波、天津波和一组人工模拟的加速度时程曲线，进行动力时程分析。之后，对结构的不同动力响应特征进行分析，指导结构设计与施工。

1 数值分析的基本假设

1.1 有限元模型

本文采用有限元程序ANSYS建立昆明某地铁车站模型并进行动力时程数值分析。该地铁车站为3层2跨，其结构横剖面如图1所示，相应有限元模型如图2所示。车站埋深为5 m，车站顶板和底板厚为0.9 m，中间板厚0.4 m，侧墙厚度为1.0 m，中柱宽度为0.8 m。地下1层高度为10.75 m，地下2层高度为6.64 m，地下3层高度为6.55 m。两跨宽度均为12.0 m。模型边界采用粘弹性边界模拟无限域的影响[8]。

1.2 材料参数

本地铁车站的土体和隧道结构均假定为弹性材料，不考虑塑性变形。土体的密度为2 000 kg/m3，弹性模量为300 MPa，泊松比为0.25，剪切波速为200 m/s，纵波速度为350 m/s。车站结构采用C35混凝土。车站结构与周围土体接触面的相互作用行为通过接触力学的方法进行考虑。其中接触面法向假定为“硬接触”，接触面切向力学行为设置为“罚函数”，即切向力为库仑摩擦力。土体和车站横截面划分为1 m×1 m的网格。

1.3 荷载及组合

1)永久荷载计算。结构自重按实际重量计算；覆土竖向土压力按截面以上全部土柱高水土合算计算，侧向土压力则按水土分算计算；静水压力及浮力根据地下水位高度采用全水头进行计算。

2)可变荷载计算。路面车辆荷载按汽—超20等级计算；施工期间基坑侧面超载按20 kPa计算；站厅、楼梯、管理用房、站台上人群活荷载标准值按4 kPa计算；列车车辆设计轴重140 kN。

3)偶然荷载计算。地震荷载按设防烈度8度计算。

4)荷载组合根据相关规范要求进行。

1.4 地震波输入

根据《建筑抗震设计规范》5.1.2条规定，多遇地震作用下取三组加速度时程曲线——两组实际强震记录(El-Centro波和天津波)和一组人工模拟的加速度时程曲线。本地铁车站所在地区抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第3组。查阅《建筑抗震设计规范》：场地特征周期为0.65 s。所选3组波形简介如下：

1)El-Centro波。El-Centro波，1940年美国加利福尼亚州帝谷(Imperial Valley)地震时在埃尔森特罗(El Centro)测得N—S方向加速度记录[10]。持时53.73 s，最大加速度峰值为341.7 cm/s2(见图3)，场地土属Ⅲ类，震级6.7级，震中距11.5 km，近震;

2)天津波。宁河天津波地震记录，1976年宁河地震时在天津医院测得N—S方向加速度记录。持时19.19 s，最大加速度峰值145.80 cm/s2(见图4)，适合Ⅲ类,Ⅳ类场地土，震级6.9级;

3)人工波。根据场地条件和反应谱特性，选择如图5所示的人工波，频率2.4 Hz，持时30 s。

2 结构的响应分析

该地铁车站结构的响应主要包括结构自振频率和地震动作用下的变形分析。分析结构的受力性能及是否满足规范相关要求。

2.1 结构自振模态和频率分析

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统识别方法在工程振动领域中的应用。模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼和模态振型。通过求解结构的自振频率可以了解该结构的基本振动特性，避开这些基本频率，防止共振。同时，结构自振频率还可以代表结构整体的刚度，频率低表示结构的刚度低；反之，则说明结构的刚度很高。本文采用ANSYS有限元程序计算了该地铁车站的前6阶自振模态(见图6)，固有频率(见表1)。

由图6可见，车站结构的变形主要发生在2层,3层梁处，四周梁和柱结构形成近似一个箱形构件，变形相对于2层,3层梁较小。这种受力状态符合《建筑抗震设计规范》“强柱弱梁”的结构抗震思想。

表1 自振频率 Hz

从表1可见，该地铁车站的基本自振频率为2.37 Hz，相应基本自振周期为0.42 s。该基本自振周期位于《建筑抗震设计规范》中“地震影响系数曲线”的“水平段”，即地震动影响最大处，常遇地震对其影响比较大。

2.2 动力时程计算结果及分析

根据规范要求，对车站分别输入El-Centro波、天津波和人工波(两条天然波和一条人工波)，进行动力时程分析。

限于篇幅，本文仅给出了El-Centro波作用下结构的响应特征，包括应力云图(如图7所示)和变形图(如图8所示)等。

从图7中可以看出，相比于车站周围构件，第2层和第3层梁上应力较大。从图8中可以看出，第2层和第3层梁的变形较大，最大位移为11.64 cm，出现在第2层楼板处。这与1995年日本阪神地震中神户大开地铁车站破坏模式相似。同时，这种受力模式符合“强柱弱梁”的设计思想，能够保证地铁车站破坏时有足够的延性。

在结构变形图的基础上，进一步给出了变形最大处和梁柱节点处的节点位移曲线(见图9)。

对图9进行初步分析后，可以看出：

1)比较图9a)～图9c)可知，X向最大节点位移仅为-1.20 cm，而Y向最大节点位移为-11.07 cm，占最大节点总位移的95%，这一现象表明第2层和第3层梁以竖向振动分量为主；

2)竖向振动平衡位置位于-7.60 cm处(见图9b))，表明第2层和第3层梁发生了较大的几何位移，该几何位移与静力荷载的施加有较大关系；

3)从图9d)可见，顶层梁柱节点位移最大值仅为0.3 cm，远小于梁的最大节点位移，且振动较为稳定，表明结构整体位移较小；

4)比较图9c)和图9d)可知，结构整体位移远小于梁体局部的最大节点位移，且振动非常稳定，表明该地铁车站具有良好的抗震能力。

为了便于统计与对比分析，本文对三条地震波作用下所计算的结构特征响应进行总结(见表2)。

表2 三种地震波作用下结构的特征响应

从表2可见，最大应力位置均位于第2层梁处，最大节点位移均位于第2层梁，整体位移都非常小。结构的整体位移均远小于梁局部位移，能够实现“强柱弱梁”的抗震思想。

3 结语

本文首先对昆明某在建地铁车站进行了较为精确的有限元建模并开展了模态分析；之后基于有限元软件ANSYS输入三条地震波(两条天然地震波和一条人工波)进行动力时程计算；最后，对结构响应数据分析发现：

1)通过模态分析发现，该车站结构的变形主要集中于第2层和第3层梁处，四周梁和柱的变形较小，刚度较大；

2)地震波作用下，结构的局部应力和变形较大，集中于第2层和第3层梁处，而结构整体变形很小，体现了《建筑抗震设计规范》“强柱弱梁”的结构抗震思想；

3)总体来说，该地铁车站整体位移很小且振动非常稳定，在本地区能够实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”抗震设防原则。

[1] Sanata S, Ohuchi H, Matsuda T. A study of the damage of subway structures during the 1995 Hanshin-Awaji earthquake[J]. Cement and Concrete Composites,1997,19(3):223-239.

[2] 王瑞民,罗奇峰.阪神地震中地下结构和隧道的破坏现象浅析[J].灾害学,1998,13(2):63-66.

[3] 杨春田.日本阪神地震地铁工程的震害分析[J].工程抗震,1996(2):40-42.

[4] 郭建刚.地铁车站结构抗震设计计算方法探讨[J].铁道勘测与设计,2013(6):17-20.

[5] 杜修力,王 刚,路德春.日本阪神地震中大开地铁车站地震破坏机理分析[J].防灾减灾工程学报,2016,36(2):165-171.

[6] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[7] GB 50111—2006,铁路工程抗震设计规范[S].

[8] 夏 晨,赵伯明,王子珺,等.地震作用下地铁车站横截面变形的影响因素研究[J].土木工程学报,2015,48(S1):132-136.

A study on seismic response of subway station

Zhu Changcheng1,2

(1.ChinaRailwayCultureTourismInvestmentGroupCo.,Ltd,Guiyang550002,China;2.ChinaRailwaySichuanEco-CityInvestmentCo.,Ltd,Renshou620561,China)

Select the worst load effect combination for the Kunming metro station based on the load code for the design of building structures, carry out the elastic dynamic time-history analysis for the metro station using the software ANSYS. The results show that the metro station can achieve the principle of three level fortification as three states of work:safety(undamaged), intermediate(repairable) and failure(destruction) as the little global response and stable vibration.

subway station, geological process, dynamic time-history analysis, structure characteristics of the response

1009-6825(2017)10-0050-04

2017-01-24

朱长城(1981- )，男，高级工程师

TU311.3

A